常州工程职院仪器分析测试技术教案6-2红外吸收光谱法：基本操作

教案纸№5-1常州工程职业技术学院红外吸收光谱法模块之红外光谱仪的基本操作教学任务p能熟练操作红外光谱仪和工作站；p能对仪器进行日常维护和保养，并排除常见故障。教学方法p引探法学时p以 20 人为一个学习组，一单元需 6 学时教学设计问题：对有机物质进行分析的几种方法？学生根据查阅资料，回答各种分析方法教师引出红外吸收光谱法学生阅读说明书，认识仪器的结构以及各种辅助设备，熟悉仪器面板教师展示用红外吸收光谱法测定固体样品的过程（压片和扫谱）学生对此过程中不理解之处进行提问，或者教师将过程中的问题罗列教师引导，学生练习相关操作。教师讲授红外光谱仪的基础知识总结红外光谱仪的工作流程学生归纳总结红外光谱仪的操作规程教师讲解红外吸收光谱的基本原理及谱图下次课程问题：如何对红外光谱进行解析？教案纸№5-2常州工程职业技术学院课程引入p问题：科技工作者对有机物进行结构分析的几种方法？p四大光谱：UV­vis；IR；MS； 1 HNMR 紫外光谱法主要对有机物的共扼结构以及是否存在苯环结构进行判断；红外光谱法主要对有机物的特征官能团的结构信息判断；质谱主要对物质的分子量测定，以及相关结构进行分析；核磁共振氢谱主要对有机物的化学位移进行分析。（学生根据查阅的资料进行分析,尤其学生的有机分析课程中也有相应的介绍）p紫外这部分内容在前面已经讲过，本次课程的教学内容是“红外光谱仪的基本操作”。对于红外分光光度计这样比较精密的大型仪器，其开机操作必须有一定的环境要求，一般在室温 25 度，湿度应小于 60%。学生阅读说明书，认识仪器的结构以及各种辅助设备，熟悉仪器面板教师示范测定过程（本过程教师可以“图片”的形式展示测定过程，也可以“教学录像”演示测定过程，也可以“教师现场演示”的方式进行教学，目的是让学生掌握整个测定过程）p预先打开空调和除湿机p打开仪器电源开关以及电脑主机p取 2­3mg固体样品与 200mg干燥的 KBr 粉末，置于玛瑙研钵，充分研磨并在红外灯下烘干，混匀，通过压片机制成固体压片。p在仪器键盘上按 Scan+Backg+1，或在红外光谱工作站上点击 instrument 下的 Scan background，扣背景。p放入试样压片的样品架中，按 Scan+X or Y or Z+1，或在工作软件中点击 instrument 下的 Scan Sample。p对基线倾斜的谱图进行校正，点击“process”下的“baseline correction”，点击“process”下的“smooth”，有时也要对谱图的“abex”处理。学生按照要求，练习开机、使用压片机、扫描样品、操作工作站软件。学生分组分别进行压片，完成红外光谱仪的基本操作。学生对测定过程提问、相互讨论（本过程教师积极“引导”学生对该测定过程不理解之处提问，可事先设计部分问题如①为什么要进行压片②为什么需要进行谱图的处理③为什么选用 KBr 作为分散介质）压片法主要是进行固体­­­粉末或晶体的红外制样，通过金属卤化物作为分散介质，制成薄片方便进教案纸№5-3常州工程职业技术学院行测定。红外光谱的原始图谱中存在一些噪声，以及基线的偏移，需要进行优化处理。红外吸收光谱仪的基本组成及工作流程p学生总结红外光谱仪的使用步骤。(学生回答)p首先请同学们观察仪器的标牌：生产和使用的红外光谱仪主要有色散型和干涉型两大类，p色散型红外光谱仪，又称经典红外光谱仪。其构造系统基本上和紫外­可见分光光度计类似。它主要由光源、吸收池、单色器、检测器、放大器及记录装置五个部分组成从光源发出的红外光分为两束，一束通过参比池，一束通过样品池，然后进入单色器内有一个色散型红外光谱仪的光路图中，光源光被分成两束，分别作为参比和样品光束通过样品池。各光束交替通过扇形旋转镜 M7，利用参比光路的衰减器对经参比光路和样品光路的光的吸收强度进行对照。因此通过参比和样品后溶剂的影响被消除，得到的谱图只是样品本身的吸收。同时，光在光在单色器内被光栅或棱镜色散成各种波长的单色光，从单色器发出波长为某频率的单色光。假定该单色光不被样品吸收，此两束光的强度相等，则检测器不产生交流信号。改变波长，若该波长下的单色光被样品吸收，则两束光强度就有差别，就在检测器上产生一定频率的交流信号（其频率决定于扇形镜的转动频率），通过放大器放大，此信号带动可p我们的红外光谱仪的组成构造：光源→迈克尔逊干涉仪→检测器→记录系统­工作站教案纸№5-4常州工程职业技术学院光源发出的光被分束器分为两束，一束经反射到达动镜，另一束经透射到达定镜。两束光分别经定镜和动镜反射再回到分束器。动镜以一恒定速度 Vm 作直线运动，因而经分束器分束后的两束光形成光程差 d，产生干涉。干涉光在分束器会合后通过样品池，然后被检测。 1、光源的作用：要求光源能发射出稳定、能量强、发射度小的具有连续波长的红外光。一般用能斯特灯、硅碳棒或涂有稀土金属化合物的镍铬旋状灯丝。 2、迈克尔逊干涉仪：FT­IR 的核心部分就是迈克尔逊干涉仪。由定镜、动镜、分束器和探测器组成。核心部件是分束器。 3、检测器，一般可分为热检测器和光检测器两大类。热检测器的工作原理是：把某些热电材料的晶体放在两块金属板中，当光照射到晶体上时，晶体表面电荷分布变化，由此可以测量红外辐射的功率。热检测器有氘化硫酸三甘钛（DTGS）、钽酸锂（LiTaO3）等类型。光检测器的工作原理是：某些材料受光照射后，导电性能发生变化，由此可以测量红外辐射的变化。最常用的光检测器有锑化铟、汞镉碲（MCT）等类型。 4、记录系统­­­红外工作软件：傅立叶变换红外光谱仪红外谱图的记录、处理一般都是在计算机上进行的。请学生自行阅读课本，总结归纳色散型红外分光光度计的结构特点，并与 FT­IR 型对比。色散型仪器的主要不足是扫描速度慢，灵敏度低，分辨率低。因此色散型仪器自身局限性很大。与经典色散型红外光谱仪相比，FTIR 具有如下优点：（1）具有扫描速度极快的特点，一般在 1s 内即可完成光谱范围的扫描，扫描速度最快可以达到 60 次/s；（2）光束全部通过，辐射通量大，检测灵敏度高；（3）具有多路通过的特点，所有频率同时测量；（4）具有很高的分辨能力，在整个光谱范围内分辨率达到 0.1cm ­1 是很容易做到的；（5）具有极高的波数准确度。若用 He­Ne激光器，可提供 0.01 cm ­1 的测量精度；（6）光学部件简单，只有一个可动镜在实验过程中运动。学生归纳仪器的操作流程p可以提问让一位学生归纳仪器的操作流程，其他学生补充；p同时请一位学生示范操作红外光谱仪；p另外让一位学生给其他学生示范工作站的使用。仪器的维护与日常保养教案纸№5-5常州工程职业技术学院日常维护（1）红外光谱实训室要求温度适中，湿度不得超过 60％，为此，要求实训室应装配空调和除湿机；（2）仪器应放在防震的台子上或安装在震动甚少的环境中；（3）仪器使用的电源要远离火花发射源和大功率磁电设备，采用电源稳压设备，并应设置良好的接地线；（4）仪器在使用过程中，对光学镜面必须严格防尘，防腐蚀，并且要特别防止机械磨擦。（5）光源使用温度要适宜，不得过高，否则将缩短其寿命；更换、安装光源时要十分小心，以免光源受力折断；（6）各运动部件要定期用润滑油润滑，以保持运转轻快；（7）仪器长期不用，再用时要对其性能进行全面检查。红外吸收光谱法的基础知识问题：有机物的红外光谱图为何可以反映其结构特性？p主要是由于红外辐射提供的能量能满足有机物分子能级跃迁所需的能量，产生红外吸收。p红外吸收光谱法基本原理由于物质对红外光具有选择性的吸收，因此，不同的物质便有不同的红外吸收光谱图。红外光谱在可见光区和微波区之间，其波长范围约为0.75~1000μm。根据实验技术和应用的不同。通常将红外光谱划分为三个区域。区域波长(λ)/μm 波数(n )/cm ­1 能级跃迁类型近红外光区中红外光区远红外光区 0.75~2.5 2.5~25 25~1000 13300~4000 4000~400 400~10 分子化学键振动的倍频和组合频化学键振动的基频骨架振动、转动样品的红外吸收曲线称为红外吸收光谱，多用百分透射比与波数（T~n）或百分透射比与波长（T~λ）曲线来描述。T~n或 T~λ曲线上的“谷”是光谱吸收峰。T~λ曲线“前密后疏”， T~n曲线“前疏后密”。这是因为 T~λ曲线是波长等距，而T~n是波数等距的缘故。p红外光谱法的特点（1）应用面广，提供信息多且具有特征性。（2）不受样品相态的限制，亦不受熔点、沸点和蒸气压的限制。（3）样品用量少且可回收，不破坏试样，分析速度快，操作方便。（4）现在已经积累了大量标准红外光谱图（如 Sadtler 标准红外光谱集等）可供查阅。（5）红外吸收光谱法也有其局限性。p在分子中，原子的运动方式有三种，即平动、转动和振动。实验证明，当分子间的振动能产生偶极矩周期性的变化时，对应的分子才具有红外活性，其红外吸收光谱图才可给出有价值的定性定量信息。教案纸№5-6常州工程职业技术学院p分子振动p分子的振动形式可分为两大类：伸缩振动和变形振动p伸缩振动是指原子沿键轴方向伸缩，使键长发生变化而键角不变的振动，用符号ν表示，其振动形式可分为两种：对称伸缩振动和反对称伸缩振动；变形振动是指使键角发生周期性变化的振动，又称弯曲振动。可分为面内、面外、对称及不对称变形振动等形式。p红外吸收光谱的产生条件p当分子吸收红外辐射后，必须满足以下两个条件才会产生红外吸收光谱。一是分子吸收的红外辐射能量与分子振动跃迁的能级一致时；二是只有引起分子偶极矩发生瞬间变化的振动即红外活性振动，产生红外吸收光谱。下次课程课程问题：p实际工作中我们的红外谱图如何进行分析？